CN101261126B - 微固体模态陀螺 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统技术领域的微固体模态陀螺，包括：压电控制电极、压电传感电极、压电驱动电极、集中质量块、线性振动增强结构、弹性基体，弹性基体上设有线性振动增强结构，线性振动增强结构和弹性基体形成固定连接，弹性基体上表面设有槽，该槽内设置集中质量块，集中质量块和弹性基体形成固定连接，线性振动增强结构的上表面设有压电传感电极、压电驱动电极和压电控制电极。本发明采用弹性基体的特殊振动模态进行工作，这一方面增大了微陀螺制作材料的选择自由度，允许基体利用弹性较大的材料来制作，另一方面增加了基体材料的可微细加工性，从而有利于改善微陀螺的结构和形状，来提高陀螺的工作性能。

Description

微固体模态陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体地说，涉及的是一种微固体模态陀螺。

背景技术

在过去的一个世纪里，陀螺技术经历了一系列的革命性发展历程。20世纪初，Elmer Sperry发明了陀螺罗经，并将它应用在航海导航中。20世纪50年代，已经实现了采用框架陀螺和加速度计系统来感应飞行器的六自由度运动。这些早期的陀螺系统只用于方位参考，因此对它们没有较高的精度要求。由于框架式陀螺系统的高复杂性和高费用，20世纪70年代开始兴起发展捷联式惯性参考系统。要想获得足够高的性能，捷联式系统要求有较高的精度，它的陀螺精度漂移要低于0.01deg/h。为了满足这样的精度需求，人们开发出了具有超高精度和高可靠性的基于Sagnac效应的光学陀螺。光学陀螺体积大、价格昂贵，因此主要应用于航天、航海和航空领域中。在过去的30多年里，随着MEMS技术的出现和逐步发展，国内外科研人员一直在致力于微惯性传感器的开发，力求制造出体积小、价格便宜、功耗低的高性能MEMS微陀螺。

经对现有技术的文献检索发现，日本神户大学的K.Maenaka等人在2006伊斯坦布尔的第19届IEEE MEMS会议上发表了一篇论文，题为“新型固态微型陀螺”，该论文被收录在第634页到第637页。他们提出了一种基于压电体特殊振动模态的全固态微陀螺。他们对长方形压电体振动模态的研究发现，在某高阶振动模态下，压电体上的各质点基本沿着同一个轴向振动(如x轴)，并且相邻两棱边周围的质点振动方向相反，即某一个棱边为拉伸运动时，则相邻的棱边为压缩运动，他们以压电体在这种特殊振动模态下的振动作为驱动振动(共振频率约为几百KHz)，当沿着某个特定轴向(如y轴)上有角速率输入时，在压电体极化方向(如z轴)上感应振动可以通过压电体表面的感应电压检测出来。经过初步的研究，他们验证了这种微陀螺方案的可行性。由于没有采用传统的弹簧质量振动系统，这种特殊的全固态微陀螺中没有弹性支撑的柔性结构，因此可以承受较高的外界冲击，抗冲击抗震动能力强，并且它对真空封装无特殊要求，可以工作常压下。

压电型全固态微陀螺的振动体是压电体，通常可用的压电效应较强的压电体材料为PZT压电陶瓷。压电陶瓷的弹性和可微细加工性能有限，并且压电陶瓷的材料和电学特性对温度较敏感，这限制了这种微陀螺的制造精度的提高，它的材料选择性有限，微细加工批量化制造的可行性不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于弹性基体特殊振动模态的微固体模态陀螺。微固体模态陀螺是一种新型的MEMS角速率传感器，这种微固体模态陀螺利用弹性基体的特殊振动模态进行工作，通过在弹性基体上引入线形振动增强结构和集中质量块，来增加微固体模态陀螺的模态振动品质，结构中的压电电极可以用于本征振动的激励和感应振动的测量，其中控制电极还可以用来进行品质因子和本征频率的调整。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电控制电极、压电传感电极、压电驱动电极、集中质量块、线性振动增强结构、弹性基体，在弹性基体上设有线性振动增强结构，线性振动增强结构和弹性基体形成固定连接，弹性基体上表面设有槽，该槽内设置集中质量块，集中质量块和弹性基体形成固定连接，线性振动增强结构的上表面设有压电传感电极、压电驱动电极和压电控制电极。

所述弹性基体是个方形结构，它形成整个装置的支撑，也是整个振动结构的主体。弹性基体下表面和被测装置形成固定连接。

所述压电控制电极，共有四对，分别分布在弹性基体四个棱边附近，每条棱边上的一对压电电极对称分布在压电驱动电极两侧。通过在压电控制电极上施加控制电压，使得压电薄膜发生拉升或收缩，从而微量调节弹性基体在该方向上共振频率。通过引入压电控制电极可以对制造误差进行电补偿。

所述的压电传感电极共有两个，分别分布在弹性基体相对的两个棱边上。由于相对两个棱边上感应振动方向是相反的，所以压电传感电极上输出的压电电压方向相反，通过差分放大电路来对微量电压进行放大。

所述压电驱动电极共有两个，分布在弹性基体相对的两个棱边上，在压电驱动电极上以共振频率施加交变电压，使弹性基体以共振频率发生振动。

所述集中质量块共四个，分别分布在弹性基体的四个角上，采用在弹性基体上刻蚀槽的电镀填充技术进行制作。引入的集中质量块可以改善弹性基体的振动品质。

所述线性振动增强结构是分布在弹性基体上表面四个棱边附近的长条状结构，它们可以通过采用弹性基体湿法刻蚀技术进行制作，线性振动增强结构可以增大弹性基体在振动方向上的弹性，从而改善振动的品质因子。

本发明通过对长方弹性体的振动模态分析发现，在某阶振动模态下，弹性基体上表面一个边为拉伸运动时，则和它相对的那条边为压缩运动，如：当驱动电极所处的那条边为沿着y轴方向上的拉伸运动时，则驱动电极所处的边为相同轴向的压缩运动，而且在这个特殊振动模态下，弹性体上各质点都沿着相同的轴向(y)运动。如同微振动陀螺，微固体模态陀螺也有两种振动模态，一个为驱动振动模态，另一个为感应振动模态。微固体模态陀螺利用弹性体的这种特殊振动模态下的拉伸或压缩运动作为参考振动(如y轴向)。当在z轴方向上有角速度输入时，由于科氏力的作用，在x轴方向上会感应出相应的拉伸或压缩运动，x轴方向上的拉伸或压缩振动幅值和输入角速率大小呈正比，它由传感电极来检测。

本发明提出的微固体模态陀螺，由于采用弹性基体的特殊振动模态进行工作，而并非压电体，这一方面增大了微陀螺制作材料的选择自由度，允许基体利用弹性较大的材料来制作，另一方面增加了基体材料的可微细加工性，从而有利于改善微陀螺的结构和形状，来提高陀螺的工作性能。在微固体模态陀螺中创新性地引入了的压电控制电极、线性振动增强结构和集中质量块，有利于进一步增强微陀螺的性能。微固体模态陀螺的核心部件和载体之间形成固接，这种结构更有利于陀螺芯片的安装。微固体模态陀螺的提出，克服了背景技术中压电型全固态微陀螺的不足，有利于获得抗冲击、抗振动能力强，对真空封装无特殊要求的全固态微型MEMS陀螺。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图。

图2为本发明弹性基体两种振动模态示意图，其中：图(a)为弹性基体驱动振动模态示意图，图(b)为弹性基体感应振动模态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：四对压电控制电极1、3、6、9、11、15、17、19，两个压电传感电极2、14，两个压电驱动电极8、19，四个集中质量块5、10、16、21，四个线性振动增强结构4、7、12、18，弹性基体13。

弹性基体13采用弹性较好的材料制作，如金属、玻璃或聚合物材料。在弹性基体13上通过湿法刻蚀，形成线性振动增强结构4、7、12、18，线性振动增强结构4、7、12、18和弹性基体13形成固定连接。在弹性基体13上表面进行湿法刻蚀制作深槽，在槽内通过电镀的方法制作集中质量块5、10、16、21，集中质量块5、10、16、21和弹性基体13形成固定连接。线性振动增强结构4、7、12、18的上表面制作有两个压电传感电极2、14、两个压电驱动电极8、19以及八个压电控制电极1、3、6、9、11、15、17、19，制作方法可以为溅射、溶胶-凝胶法、蒸发镀膜等。

所述弹性基体13是个方形结构，它形成整个装置的支撑，也是整个振动结构的主体。弹性基体13下表面和被测装置形成固定连接。

所述四个线性振动增强结构4、7、12、18是分布在弹性基体13上表面四个棱边附近的长条状结构。

如图2所示，通过模拟仿真发现弹性基体13存在某阶特殊的振动模态，如图2(a)，在该阶振动模态下，弹性基体13上各点都沿着某个轴向振动(这里假设为x轴方向)，并且当弹性基体13上表面x轴向的某个棱边为拉升运动时，则与它相对的那条棱边为压缩运动，反之亦然。同样，弹性基体13还存在某阶特殊振动模态，如图2(b)，在该阶振动模态下，弹性基体13各点沿着某个轴向(这里假设为y轴方向)振动，并且当弹性基体13上表面y轴向的某个棱边为拉升运动时，则与它相对的那条棱边为压缩运动，反之亦然。这种特殊振动模态下的振动类似于振动陀螺中的振动，采用其中一种振动模态作为驱动振动模态，另外一种振动模态作为感应振动模态，则构成本发明中微固体模态陀螺的工作机理。通过优化的结构设计，驱动振动模态和感应振动模态的共振频率可以设计为相同的，从而使微固体模态陀螺工作在模态匹配条件下。

如图1所示，在微固体模态陀螺结构中引入集中质量块5、10、16、21和线性振动增强结构4、7、12、18，来改善系统振动的品质因子。

所述四个集中质量块5、10、16、21，分别分布在弹性基体13的四个角上。

所述四对压电控制电极1、3、6、9、11、15、17、19，分别分布在弹性基体13四个棱边附近，每条棱边上的一对压电电极对称分布在压电驱动电极两侧。

所述的两个压电传感电极2、14，分别分布在弹性基体13相对的两个棱边上。由于相对两个棱边上感应振动方向是相反的，所以压电传感电极2、14上输出的压电电压方向相反，通过差分放大电路来对微量电压进行放大。

所述两个压电驱动电极8、19，分布在弹性基体13相对的两个棱边上，在压电驱动电极8、19上以共振频率施加交变电压，使弹性基体以共振频率发生振动。

如图1所示，在驱动压电电极8、19上施加工作频率下的正弦电压信号，使弹性基体13产生工作振动模态。当外界沿z轴方向有角速度输入时，由于科氏加速度效应，在x轴方向上会感应出感应振动。压电传感电极2、14可以检测出x轴方向上的感应振动大小，压电传感电极2、14上输出电压数值和输入角速率大小成正比。外围电压放大电路将压电传感电极2、14上微弱感应电压放大，从而检测出外界输入角速度大小。

由于制造中存在制作误差，弹性基体13中必然也存在材料缺陷，这些随机的制作误差和材料缺陷必然会产生工作振动模态和感应振动模态的本征频率不相等，进而导致两种振动模态的不匹配。在压电控制电极1、3、6、9、11、15、17、19上施加控制电压，对两个振动模态的本征频率进行调整，使两个振动模态完全匹配，完成误差信号的电补偿。

本实施例是一种具有不同于传统微振动陀螺结构的微固体模态陀螺。在固体模态陀螺中，无弹性支撑装置或作整体运动的部件，它是一种固态微陀螺。这种微固体模态陀螺弹性机构具有极大的刚度，因此抗冲击抗震动能力强。微固体模态陀螺利用弹性体的特殊振动模态来工作，弹性体具有极大的刚度，标准质量振动幅度较小，因此空气的阻尼效应(滑膜或压膜阻尼)的影响较传统的微振动陀螺要求。微固体模态陀螺对真空封装无特殊要求，可以工作在常压条件下，避免了真空封装所带来的MEMS微陀螺产业化难题。在微固体模态陀螺中引入振动线性增强结构和集中质量块，可以减小其他频率的模态干扰，同时由于增加了振动标准质量，从而降低噪声信号的干扰。同时，弹性体的振动刚度可以通过改变振动线性增强结构的尺寸来调节。在控制环节引入控制压电电极，通过在控制电极上施加合适的直流和交流电压信号，可以完成制造误差的电补偿，调节阻尼效应和品质因子，使微陀螺的性能趋于稳定。

Claims (2)

1.一种微固体模态陀螺，包括：压电控制电极、压电传感电极、压电驱动电极、集中质量块、线性振动增强结构、弹性基体，其特征在于，弹性基体上设有线性振动增强结构，线性振动增强结构和弹性基体形成固定连接，弹性基体上表面设有槽，该槽内设置集中质量块，集中质量块和弹性基体形成固定连接，线性振动增强结构的上表面设有压电传感电极、压电驱动电极和压电控制电极；

所述弹性基体是个方形结构，弹性基体下表面和被测装置形成固定连接；

所述压电控制电极，共有四对，分别分布在所述弹性基体四个棱边附近，每条棱边上的一对所述压电控制电极对称分布在所述压电驱动电极两侧；

所述的压电传感电极共有两个，分别分布在所述弹性基体相对的两个棱边上；

所述压电驱动电极共有两个，分布在所述弹性基体相对的两个棱边上，在所述压电驱动电极上以共振频率施加交变电压，使弹性基体以共振频率发生振动；

所述的集中质量块共四个，分别分布在所述弹性基体的四个角上；

所述的线性振动增强结构是分布在所述弹性基体上表面四个棱边附近的长条状结构。

2.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺，其特征是，所述压电控制电极上施加控制电压，对弹性基体的驱动振动模态和感应振动模态的本征频率进行调整，使得弹性基体的驱动振动模态和感应振动模态的共振频率相同，即使得两个振动模态完全匹配，完成误差信号的电补偿。

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